文／何文超·中國鐵建重工集團(tuán)道岔分公司

預(yù)熱式鋼軌跟端整體式鍛造模具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

文／何文超·中國鐵建重工集團(tuán)道岔分公司

從研發(fā)鋼軌跟端整體式鍛造模具的過程出發(fā)，通過對(duì)模具材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析、機(jī)械加工、熱處理控制、使用和維護(hù)等方面的分析，闡述了鋼軌跟端整體式鍛造模具的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)該注意的因素，提出了提高模具使用壽命的措施，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

何文超，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，2013年“火車頭獎(jiǎng)?wù)隆鲍@得者，主要從事鋼軌塑性成形技術(shù)和裝備方面的研究工作，主持和負(fù)責(zé)的《引進(jìn)道岔技術(shù)工裝和設(shè)備的國產(chǎn)化研究》與《時(shí)速250公里60-18號(hào)客專道岔制造技術(shù)研究》獲中國鐵建科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，獲得一項(xiàng)發(fā)明專利，兩項(xiàng)實(shí)用新型專利。

在鐵路道岔的生產(chǎn)中，常需要將矮型特種斷面(非對(duì)稱)鋼軌端部(俗稱AT軌)通過熱鍛方式成形為標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌，用于和線路上標(biāo)準(zhǔn)端面鋼軌聯(lián)接。我公司瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)技術(shù)以技術(shù)帶設(shè)備方式引進(jìn)了國際上最先進(jìn)的“一次加熱，三次熱鍛成形”技術(shù)和整體式鍛造模具。模具材料采用引自德國的DIN1.2714鋼，它是一種預(yù)硬鍛造模具鋼，價(jià)格昂貴，單價(jià)為國內(nèi)同等性能材料的3～5倍，而且國內(nèi)進(jìn)貨渠道單一，需要提前預(yù)定，有無法滿足生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。引進(jìn)的模具材料在實(shí)際使用過程中鍛造500件時(shí)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，600件時(shí)出現(xiàn)垂直和水平裂紋，無法再繼續(xù)使用，停產(chǎn)2個(gè)月，因此研發(fā)合適的替代模具材料勢在必行。

國內(nèi)現(xiàn)在的道岔制造企業(yè)一般采用4Cr5MoSiV1(H13)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、3Cr2MoWVNi(B3)、4Cr2MoVNi(B2)四種模具材料，它們均是適宜在液壓機(jī)上鍛造AT鋼軌跟端的模具材料。選擇任何一種模具材料，不僅要考慮模具滿足使用條件和工藝條件，而且要考慮模具的使用壽命。眾所周知，模具的使用壽命主要取決于五個(gè)方面：模具材料的選擇、模具的設(shè)計(jì)、模具的機(jī)械加工方式、熱處理方式、使用和維護(hù)。如何從眾多的模具材料中選擇適合的模具材料并應(yīng)用到引進(jìn)技術(shù)的國產(chǎn)化項(xiàng)目中是本文的主要研究內(nèi)容。

模具材料的選擇

國內(nèi)道岔生產(chǎn)行業(yè)鋼軌的熱鍛成形普遍采用組合或活塊式模具(圖1)，它的優(yōu)點(diǎn)是模具簡單，制造成本低。以先進(jìn)技術(shù)為代表的企業(yè)采用帶有預(yù)熱功能的整體式模具(圖2)，這種模具可顯著提高成形精度和成形效率，細(xì)化鍛件晶粒，提高鍛件理化性能，實(shí)現(xiàn)一次加熱、三次成形。

模具材料選擇的原則

⑴滿足工作條件。

AT鋼軌跟端熱鍛成形時(shí)，模具不僅要承受與鋼軌之間的熱摩擦作用，還要承受水基石墨乳的冷卻作用以及模具表面和心部的溫度應(yīng)力作用，受力比較復(fù)雜，工作環(huán)境較為惡劣，因此對(duì)模具性能主要有如下要求：

1)耐磨。坯料在模具型腔中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，沿型腔表面既流動(dòng)又滑動(dòng)，使型腔表面與坯料間產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而導(dǎo)致模具因磨損而失效。

圖1 組合式模具

圖2 具有預(yù)熱功能的整體式模具

2)耐高溫。當(dāng)模具的工作溫度較高時(shí)(650℃)，硬度和強(qiáng)度下降，導(dǎo)致模具早期磨損或產(chǎn)生塑性變形而失效。

3)耐冷熱疲勞。模具在工作過程中處于反復(fù)加熱和冷卻的狀態(tài)，型腔表面受拉、壓交變應(yīng)力的作用，易引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低尺寸精度，從而導(dǎo)致模具失效。

⑵滿足工藝性要求。

模具的制造一般都要經(jīng)過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，其材料應(yīng)具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性，還應(yīng)具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。

⑶滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

模具選材必須考慮經(jīng)濟(jì)性這一原則，應(yīng)盡可能地降低制造成本，因此，在滿足使用性能的前提下，首先選用價(jià)格較低的材料，能用碳鋼，就不用合金鋼，能用國產(chǎn)材料，就不用進(jìn)口材料。另外，在選材時(shí)還應(yīng)考慮市場的生產(chǎn)和供應(yīng)情況，所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，易購買。

幾種模具材料的對(duì)比

國內(nèi)道岔生產(chǎn)行業(yè)一般采用4Cr5MoSiV1(H13)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、3Cr2MoWVNi(B3)、4Cr2MoVNi(B2)四種模具材料，這四種模具材料的基本特點(diǎn)見表1～3。

表1 四種模具材料與DIN1.2714鋼的化學(xué)成分對(duì)比

表2 四種模具材料的耐冷熱疲勞性能對(duì)比

冶煉方法

模具鋼由于批量小、規(guī)格品種多，故大多數(shù)鋼廠采用堿性電弧爐冶煉生產(chǎn)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)采取電弧爐冶煉＋真空爐外精煉技術(shù)，通過精煉，鋼中的氣體含量和硫、磷及夾雜物含量等進(jìn)一步降低，綜合性能明顯改善。隨著對(duì)模具使用壽命要求的不斷提高，電渣重熔技術(shù)開始被廣泛使用。電渣重熔屬于二次精煉方法，與其他的冶金方法相比，電渣重熔后，模具鋼的中心疏松和偏析改善0.5級(jí)以上，低倍組織中心致密，一般均小于1級(jí)(按ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定)，模具鋼的組織和性能有顯著提高。

模塊的選擇

通常對(duì)于存在嚴(yán)重化學(xué)成分偏析和亞穩(wěn)定共晶碳化物的模具鋼應(yīng)進(jìn)行合理鍛造，大鍛造比(通常取5～14)的反復(fù)鐓拔工藝是提高熱作模具鋼組織和性能各向同性的有效措施。鍛后必須進(jìn)行嚴(yán)格的冷卻和熱處理工藝，以改善鋼中化學(xué)成分和組織的均勻性，消除材料中的二次碳化物，用于增加模具的韌性。

此外模塊還可以選擇電渣重熔鋼錠，如3Cr2MoWVNi和4Cr2MoVNi就均是選擇電渣重熔鋼錠，按規(guī)定鍛成所需模塊。由于電渣鋼具有純凈度高、組織均勻及鍛裂傾向性小等優(yōu)點(diǎn)，鍛造時(shí)無切頭切尾，綜合成材率(從電極→渣錠→鍛材)一般可達(dá)到90%以上，提高了鋼錠的使用率，具有較高的性價(jià)比，因此很快被廣泛使用。

結(jié)論

⑴從四種模具材料的各自特點(diǎn)來看，它們均能用于AT鋼軌跟端鍛造模具。3Cr3Mo3VNb(HM3)的紅硬性和抗650℃回火穩(wěn)定性最好，但鍛造和后續(xù)熱處理工藝較難控制，因此不適合用于AT鋼軌跟端鍛造模具這種較大截面的模具(150mm×450mm×1200mm)。

⑵從AT鋼軌跟端鍛造成形方式來看，如采用組合式模具，4Cr5MoSiV1(H13)和3Cr2MoWVNi(B3)比較合適；如采用整體式模具，4Cr2MoVNi(B2)比較合適。

模具的設(shè)計(jì)

熱鍛模具的設(shè)計(jì)受到許多因素的制約，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑捜菀资鼓＞咴诤罄m(xù)的機(jī)加工和熱處理及使用過程中產(chǎn)生早期斷裂失效，因此，設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)，是提高熱鍛模具壽命的有效途徑之一。設(shè)計(jì)鍛模必須考慮選擇合理的分模面位置；選用合適的拔模斜度以及合理的圓角半徑，盡可能使相鄰截面均勻化，以避免模具在后續(xù)熱處理和使用過程中因應(yīng)力集中而開裂。此外，設(shè)計(jì)時(shí)還要盡量使鍛模中心、壓力中心、滑塊中心一致，以達(dá)到提高模具使用壽命的目的。因此，我們用SolidWorks/UG軟件來進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和三維造型，用DEFORM軟件進(jìn)行成形模擬，用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真受力分析，使模具設(shè)計(jì)更加簡潔明了并且避免了設(shè)計(jì)中的缺陷。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要目的是提高模具強(qiáng)度、避免應(yīng)力集中、增加輔助導(dǎo)向面避免上下模錯(cuò)位和出現(xiàn)錯(cuò)移力，如圖3、4所示。

圖3 無導(dǎo)向模具結(jié)構(gòu)

圖4 自導(dǎo)向模具結(jié)構(gòu)

圓角設(shè)計(jì)

鍛件上的圓角半徑對(duì)于保證金屬流動(dòng)、提高模具使用壽命、提高鍛件質(zhì)量和便于出模等十分重要。鍛件上的外圓角相當(dāng)于模具模膛的內(nèi)圓角，如果鍛件外圓角半徑過小，金屬充滿模膛會(huì)十分困難，而且容易引起鍛模崩裂；而若鍛件外圓角半徑過大，則機(jī)加工余量將加大。鍛件上的內(nèi)圓角相當(dāng)于模具模膛的外圓角，如果鍛件內(nèi)圓角半徑過小，模鍛時(shí)金屬流動(dòng)形成的纖維會(huì)被割斷，從而會(huì)導(dǎo)致鍛件的力學(xué)性能下降，還有可能產(chǎn)生折疊使鍛件報(bào)廢，或使模膛產(chǎn)生壓塌變形影響鍛件出模；而若鍛件內(nèi)圓角半徑過大，則機(jī)加工余量和金屬損耗將會(huì)增加，金屬會(huì)過早流失，從而導(dǎo)致金屬填充時(shí)發(fā)生充不滿現(xiàn)象，俗稱“缺肉”。

綜合上述考慮模具強(qiáng)度的要求、熱處理淬火變形開裂的傾向、模具制造所用的刀具標(biāo)準(zhǔn)化以及保證模具內(nèi)圓角處的最小余量，我們對(duì)圓角進(jìn)行了等效或者優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5、6所示。

圖5 原模具圓角設(shè)計(jì)

圖6 優(yōu)化后的模具圓角設(shè)計(jì)

仿真分析

分析方法

根據(jù)模具外廓尺寸建立模具三維模型，采用四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)模具施加相同的荷載進(jìn)行同等受力狀況下不同結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析(圖7)，對(duì)Von Mises等效應(yīng)力云圖(圖8)和最大應(yīng)力截面云圖(圖9)的結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，改善模具受力狀態(tài)，從而達(dá)到提高模具壽命的目的。

圖7 模具受力分析有限元模型及荷載作用范圍

圖8 模具應(yīng)力云圖

圖9 模具最大應(yīng)力截面局部放大圖

結(jié)論

采用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用有限元法進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果反饋到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，再次改善和優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果表明，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯改善，最大應(yīng)力比初始設(shè)計(jì)方案減小24%。

模具的機(jī)械加工方式

傳統(tǒng)的模具制造周期一般為2～4個(gè)月，模具形狀復(fù)雜，機(jī)械加工工序多，涉及到車、銑、刨、磨等工序，并且受人員素質(zhì)、機(jī)床精度等諸多因素制約，稍有失誤，如表面粗糙、刀痕過深、圓角半徑過小等，就均有可能使模具局部應(yīng)力集中，淬火時(shí)導(dǎo)致模具開裂，造成模具早期失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械加工過程中60%的廢品是人為產(chǎn)生的，因此，我們提出采用一次定位、高速(轉(zhuǎn)速為10000r/min)數(shù)控銑削的加工工藝，不采用人工拋光打磨的加工工藝，杜絕人為因素的影響，以提高模具表面加工精度來保證模具質(zhì)量，同時(shí)制造周期縮短到2～3個(gè)月，縮短了30%左右。

熱處理工藝的控制

俗話說“好模具要有好的熱處理”，可見熱處理在提高模具使用壽命方面的重要性。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：熱處理工藝或操作不當(dāng)而導(dǎo)致模具斷裂失效占失效總數(shù)的60%以上。我們對(duì)模具采用真空淬火＋兩次回火的熱處理工藝，以減少變形和過多的氧化、脫碳對(duì)模具壽命的影響。

使用和維護(hù)

模具在使用過程中，受到加熱和冷卻的交替作用，表面和心部由于溫度變化而產(chǎn)生交變的應(yīng)力和應(yīng)變，經(jīng)過頻繁使用，表面出現(xiàn)微小裂紋并不斷延伸，最終導(dǎo)致模具斷裂失效，因此，必須在使用前對(duì)模具進(jìn)行充分的預(yù)熱。我們?yōu)榇嗽O(shè)計(jì)了專用的預(yù)熱加熱器(圖10)，預(yù)熱到200～250℃左右，減小了模具與坯料之間的溫差，防止了裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而達(dá)到了延長模具使用壽命的目的。

圖10 模具預(yù)熱加熱器

模具的正確使用和日常精心的保養(yǎng)、維護(hù)也是延長模具使用壽命的有效措施。比如采用適當(dāng)?shù)臐櫥瑒?建議采用高純度、細(xì)分子的水基石墨乳)，可減少摩擦系數(shù)，變形抗力下降30%～40%，減輕了模具的磨損，防止了模具的非正常斷裂。同時(shí)，為防止模具溫度過高，熱作模具必須采用冷卻措施，生產(chǎn)實(shí)踐證明，正確而有效的冷卻對(duì)提高模具的使用壽命很有幫助。

模具的應(yīng)用

硬度

采用真空淬火＋兩次回火的熱處理工藝后，模具的硬度可達(dá)42～47HRC，且分布均勻。4Cr2MoVNi含碳量較低，焊接修復(fù)性更好。其與DIN1.2714鋼熱處理后的硬度對(duì)比見表4。

金相組織

在重點(diǎn)控制熱處理工藝后，收到了明顯的效果，熱處理工藝優(yōu)化前后的金相組織對(duì)比如圖11所示。

圖11 熱處理工藝優(yōu)化前后的金相組織對(duì)比

表4 模具硬度檢測值 (單位：HRC)

表5 模具壽命統(tǒng)計(jì)

表6 模具經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

使用壽命

引進(jìn)的模具設(shè)計(jì)壽命為2000件，實(shí)際使用時(shí)鍛造鋼軌920件就發(fā)生型腔開裂，而通過國產(chǎn)化技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的模具，鍛造鋼軌3600件未斷。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5。

經(jīng)濟(jì)效益

原模具使用壽命為2000件/套，優(yōu)化后的模具使用壽命為3600件/套，按照我公司年產(chǎn)2600組計(jì)算，模具經(jīng)濟(jì)效益分析見表6。

結(jié)束語

采用材料牌號(hào)為4Cr2MoVNi電渣重熔鋼錠作為模塊，設(shè)計(jì)了模具電加熱預(yù)熱系統(tǒng)，采用自導(dǎo)向飛邊槽模具結(jié)構(gòu)，解決了上下模錯(cuò)位的難題，通過仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，模具應(yīng)力降低了24%，使用壽命顯著提高，與進(jìn)口模具相比使用壽命提高了3倍，因此4Cr2MoVNi電渣重熔鋼用于鋼軌跟端整體式鍛造模具具有良好的經(jīng)濟(jì)性和使用性。